Wtrysk paliwa

Wtrysk paliwa - jest to sposób dostarczenia paliwa do silnika spalinowego.
Wtrysk jest stosowany powszechnie w silnikach wysokoprężnych (najczęściej silnik z wtryskiem bezpośrednim, rzadziej silnik z wtryskiem pośrednim) i w tych konstrukcjach stosuje się tzw. układ hydraulicznego systemu wtrysku paliwa.
W silnikach o zapłonie iskrowym można podzielić układy pod względem rodzaju i rozmieszczenia
wtryskiwaczy paliwa:

• wtrysk jednopunktowy (SPI - Single Point Injection, CPI - Central Port Injection) - jeden wtryskiwacz umieszczony w kolektorze dostarcza paliwo dla wszystkich cylindrów,
• wtrysk wielopunktowy (MPI - Multi Point Injection) - każdy cylinder ma osobny wtryskiwacz, umieszczony w kolektorze, przed zaworem dolotowym,
• wtrysk bezpośredni (DI - Direct Injection) - wtryskiwacz umieszczony jest w cylindrze,
• wtrysk bezpośredni w mieszance uwarstwionej - wtryskiwacz umieszczony jest w cylindrze.

Ze względu na sterowanie wieloma wtryskiwaczami w układzie MPI rozróżnia się rozwiązania:

• sekwencyjne (SFI - sequential fuel injection, SPFI, SEFI) - każdy wtryskiwacz jest sterowany niezależnie i ma niezależnie wyliczany moment zadziałania, czasem też dawkę paliwa, typowo dla każdego cylindra oddzielnie
• grupowe (batched) - wtryskiwacze połączone są grupami i sterowane zależnie, układ wylicza dawkę dla "uśrednionego" cylindra czy kolektora (np. popularne starsze układy Forda EECIV z rodzaju MPI mają tylko dwie grupy dla silników V6 i V8, "prawą" i "lewą")
• wspólne - obecnie nieużywane, układ MPI jest sterowany wspólnie, jak pojedynczy układ SPI, tyle że z wieloma wtryskiwaczami.

Wtrysk paliwa w tych silnikach zapewnia lepszą kontrolę dawkowania paliwa w porównaniu z rozwiązaniami gaźnikowymi (dokładniejsze sterowanie wtryskiwaczami przez odpowiedni układ sterujący, obecnie powszechnie - przez komputer sterujący pracą silnika) i lepsze wymieszanie z powietrzem (przez rozpylenie pod znacznym większym ciśnieniem i w lepszych warunkach, w porównaniu do gaźnika), co pozwala na jego lepsze (zupełne i całkowite) spalenie przy mniejszym współczynniku nadmiaru powietrza.
Spaliny z silnika z wtryskiem zawierają mniej tlenku węgla, niepożądanych tlenków azotu i niedopalonych węglowodorów w stosunku do zasilania gaźnikowego, które praktycznie wyszło z użycia w aplikacjach silników spalinowych w samochodach. Historycznie występowały układy wtryskowe sterowane mechanicznie, hydraulicznie i elektromechanicznie, obecnie powszechnie występuje sterowanie wtryskiem elektroniczne poprzez układ komputerowy.

Czujniki

Dla właściwej pracy układu sterującego wtryskiem potrzebny jest szereg danych wejściowych o stanie pracy silnika, pojazdu, intencjach kierującego, itp. Należy zauważyć, że w tak postawionych zagadnieniach regulacyjnych nie ma górnego limitu opomiarowania układu, i liczba czujników i parametrów wejściowych jest ograniczona tylko inwencją producenta i kosztami, jednak pewne czujniki są z definicji niezbędne do właściwej pracy układu, ew. są wymagane przez prawo. Podstawowe w obecnie używanych układach to:

• Czujnik położenia wału korbowego - daje informacje o obrotach i fazie pracy poszczególnych cylindrów, synchronizuje pracę układu sterowania z mechaniką silnika i jego stanem pracy (np. obroty jałowe, maksymalne)
• Czujnik przepływu powietrza dolotowego (czasem w formie czujnika ciśnienia) - daje informację o ilości powietrza zasysanego przez silnik w jednostce czasu
• Czujnik lub czujniki zawartości tlenu w spalinach (sondy lambda) - daje informację o rzeczywistej stechiometrii spalania w silniku (mieszanka uboga, bogata) i pozwala utrzymać optymalny skład mieszanki i spalin w danym momencie pracy silnika.

Dodatkowo używa się szeregu innych czujników i parametrów, np:

• położenia przepustnicy (lub przepustnicy elektronicznej, bez mechanicznego połączenia z pedałem gazu)
• położenia pedału hamulca, parametry pracy skrzyni biegów
• położenia wałka (wałków) rozrządu
• prędkości pojazdu
• temperatury silnika, powietrza dolotowego, paliwa
• ciśnienia paliwa
• czujnik spalania stukowego (wibracji)

Zasada działania

Układ sterujący wtryskiem paliwa jest zespołem regulatorów, które mają, we współpracy z układem sterowania zapłonem, utrzymywać optymalne parametry pracy silnika w różnych stanach. Głównymi kryteriami optimum są czystość spalin, ekonomia silnika i osiągi silnika (moc, moment obrotowy). Większość układów pracuje w trzech głównych stanach:

• w otwartej pętli sterowania (open loop) - pewne parametry wejściowe z czujników są poza "tolerancją" programu mikrokontrolera, wylicza on "zgrubnie" parametry wtrysku paliwa (i ew. zapłonu) by zapewnić w ogóle stabilną pracę silnika, osiągi pozwalające na jazdę i możliwie ekonomiczne spalanie; jest to typowy stan np. po uruchomieniu zimnego silnika

• w zamkniętej pętli sterowania (closed loop) - kluczowe parametry wejściowe z czujników mieszczą się w założonych tolerancjach, co pozwala mikrokontrolerowi na dokładne wyliczanie dawki paliwa (i ew. przesunięcia zapłonu), na podstawie wbudowanych algorytmów i tablic, opisujących pracę silnika. Jest to stan normalnej pracy, obecnie typowo wiodącym parametrem wejściowym jest sonda lambda i czujnik przepływu (ew. ciśnienia) powietrza w układzie dolotowym, układ stara się utrzymać spalanie stechiometryczne przy ubogiej mieszance i właściwych charakterystykach silnika, reagując na zmienną sytuację (obroty, moment obrotowy, przepustnica, parametry powietrza dolotowego, itd).

• w trybie awaryjnym - układ przechodzi w stan awaryjny w razie uszkodzenia mikrokontrolera itp. (typowo wykrywane jest to układami typu watchdog itp.), jeśli komputer przestaje sterować wtryskiem paliwa i zapłonem, rolę tę przejmują proste układy elektroniczne (np. timery), które zapewniają "zgrubne" sterowanie i pracę silnika i jazdę, na ogół przy bardzo złej ekonomii spalania i osiągach.

W obecnie stosowanych układach w razie wystąpienia trybu awaryjnego lub zbyt długiej pracy w trybie otwartej pętli, czy uszkodzeniach kluczowych czujników, układ sygnalizuje kierowcy awarię kontrolką "check engine" (pomarańczowy napis lub piktogram silnika).